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TGA Ausgabe 03-2017
Sommerlicher Wärmeschutz

Genormt rechnen oder realitätsnah simulieren?


1 Insbesondere von außergewöhnlichen Gebäudekonzepten lässt sich der sommerliche Wärmeschutz …

1  Insbesondere von außergewöhnlichen Gebäudekonzepten lässt sich der sommerliche Wärmeschutz …

Der sommerliche Wärmeschutz wird immer wichtiger – wegen des Wohn-komforts, aus Energieeinspargründen und aufgrund gesetzlicher Vorschriften. Software rationalisiert die vereinfachte Nachweisführung ebenso wie thermische Simulationsrechnungen, die präziser sind und daher Kosten sparen.

Kompakt informieren

Statische Rechenverfahren zum sommerlichen Wärmeschutz sind eher für Standardfälle ausgelegt und berücksichtigen keine individuellen Besonderheiten. Zudem enthalten sie Vereinfachungen und Sicherheiten.

Eine thermisch-dynamische Gebäudesimulation ist präziser, kann besser auf das individuelle Objekt eingehen und den sommerlichen Wärmeschutz genauer an das Nutzerverhalten und Besonderheiten des Gebäudes anpassen.

Dadurch lassen sich sowohl Kosten für bauliche oder haustechnische Maßnahmen (Vordächer, Markisen, Klimaanlage etc.) einsparen als auch vom Standard abweichende Gebäude nachweisen – etwa Objekte mit Doppelfassade oder transparenter Wärmedämmung.

Je stärker Gebäude von Gestaltungs-, Konstruktions- und Nutzungs-Standards abweichen, desto wichtiger sind Simulationsrechnungen.

Längere und heißere Sommerperioden sowie steigende Komfortansprüche von Gebäudenutzern haben dazu beigetragen, dass der sommerliche Wärmeschutz von Gebäuden an Bedeutung zugenommen hat. Auch die gestiegene Energieeffizienz von Gebäuden hat Folgen: Große südorientierte Fensterflächen erzielen in den Wintermonaten zwar die gewünschten solaren Wärmegewinne, im Sommer werden sie allerdings zum Problem.

Diese und andere Rahmenbedingungen haben dazu geführt, dass die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz in der aktuellen Energieeinsparverordnung EnEV 2014/2016 [1] und in der in allen Ländern als Technische Baubestimmung eingeführten Norm DIN 4108-2 [2] verschärft wurden. Die Folge ist, dass in vielen Fällen teure und aufwendige Verschattungsmaßnahmen oder gar eine zusätzliche Klimatisierung notwendig werden – es sei denn, man bedient sich schon bei der Planung besonderer Bauweisen oder intelligenter Verschattungskonzepte.

Zwei Nachweisverfahren

Der sommerliche Wärmeschutz hängt ganz wesentlich von mehreren Faktoren ab: vom Gebäudestandort (sommerliche Klimaregion), vom solaren Energieeintrag durch Fenster, von der Wärmespeicherfähigkeit der Gebäudebauteile (innere Wände und Decken), von den baulichen und aktiven Beschattungseinrichtungen und von den (nächtlichen) Lüftungsmöglichkeiten.

Die EnEV fordert den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes sowohl für neu zu errichtende Wohngebäude (§ 3 Absatz 4) als auch für neue Nichtwohngebäude (§ 4 Absatz 4). Die dabei anzuwendenden Verfahren werden in den EnEV-Anlagen 1 und 2 genannt: Das vereinfachte Verfahren über den Sonneneintragskennwert oder alternativ eine thermische Gebäudesimulation mit dem Ziel der Begrenzung der jährlich auftretenden Übertemperaturgradstunden.

Entsprechende Grenzwerte und Randbedingungen für die Berechnung enthält die im Februar 2013 erneuerte Norm zum sommerlichen Wärmeschutz DIN 4108-2, auf die sich die EnEV 2014 stützt. Der grundlegende Gedanke der Norm ist die Vermeidung unzumutbar hoher Temperaturen in Gebäuden, die später energieintensive und kostenintensive Maßnahmen, etwa zur Gebäudekühlung, zur Folge haben. Demzufolge müssen Planer dafür sorgen, dass Gebäude-Innentemperaturen an heißen Sommertagen zulässige Grenzwerte auch ohne Klimaanlage nicht überschreiten.

Neben dem vereinfachten Verfahren über den Sonneneintragskennwert erlaubt die DIN 4108-2 in Kapitel 8.4 für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes auch ein alternatives Nachweisverfahren mittels dynamisch-thermischer Gebäudesimulation. Bei Gebäuden besonderer Art und Nutzung schreibt sie dieses sogar zwingend vor und definiert entsprechende Anforderungen und Randbedingungen für die Simulation.

Vereinfachte Berechnung

Bei der vereinfachten Berechnung nach DIN 4108-2 werden „kritische“ Räume bzw. Raumbereiche an der Außenfassade, die der Sonneneinstrahlung besonders ausgesetzt sind, berücksichtigt. Auf eine Berechnung kann verzichtet werden, wenn ein bestimmter grundflächenbezogener Fensterflächenanteil nicht überschritten wird. Im vereinfachten Nachweisverfahren wird über standardisierte Randbedingungen für den zu bewertenden Raum (oder Raumbereich) der jeweils vorhandene mit einem maximal zulässigen Sonneneintragskennwert verglichen.

Dieser wird von zwei Faktoren bestimmt: von der Nachtlüftung und der „Massivität“ der Bauart, wobei ohne weiteren Nachweis stets von einer für den sommerlichen Wärmeschutz kritischen „leichten“ Bauart ausgegangen wird.

Grundlage für die Berechnung der Sonneneintragskennwerte ist der Gesamtenergiedurchlass durch alle Fensterflächen einschließlich Sonnenschutz in Bezug zur Raum-Nettogrundrissfläche. Zu den Eingabedaten zählen der Standort (Klimaregion), die Raumdaten, Fensterdaten (g-Wert, 2- oder 3-fach-Verglasung, Rahmenanteil), die Bauart der Raumhülle sowie Lüftungsdaten. Erfolgt die vereinfachte Nachweisführung über EnEV-Programme (Digitale Helfer für Beratung und Planung, TGA 11-2013,   559846), müssen die meisten dieser Daten nicht neu eingegeben, sondern können einfach übernommen werden, was den Eingabeaufwand reduziert, Mehrfacheingaben und Fehlerquellen vermeidet.

Simulation erhöht Planungssicherheit

Vereinfachte Verfahren rechnen schnell und mit wenig Eingabeaufwand, aber auch unpräzise und unspezifisch. Da sich die Einflussfaktoren im Jahresverlauf ändern (Außentemperaturen, Strahlungswerte, Luftwechselraten, interne Wärmeeinträge etc.), sind für präzise Ergebnisse Berechnungsverfahren erforderlich, welche die Raumtemperatur am jeweiligen Standort für jeweils kritische Zeitabschnitte berechnen.

Genauere Ergebnisse liefern dynamische Berechnungsverfahren, die im Gegensatz zur statischen Rechnung den Faktor Zeit und mehr Details berücksichtigen, etwa die Eigen-Verschattung des Gebäudes.

Das thermische Zeitverhalten eines Gebäudes, einer Gebäudezone oder eines Raumes wird im Wesentlichen durch das Zusammenwirken innerer und äußerer Lasten, dem Beheizungs-, Belüftungs- und Sonnenschutzkonzept sowie den Materialeigenschaften der Gebäudebauteile geprägt.

Speziell für den sommerlichen Wärmeschutznachweis ausgelegte oder allgemeine thermische Gebäudesimulationsprogramme (siehe: Programm-/Anbieterübersicht) können die gewünschten Ergebniswerte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit und der gewünschten zeitlichen Auflösung berechnen. Für sommerliche Wärmeschutznachweise wird in kleinen Zeitschritten (in der Regel stündlich, besser minütlich) die Raumtemperatur über ein ganzes Jahr hinweg ermittelt, sodass Schwachstellen an kritischen Tagen in Form von Über- oder Untertemperaturstunden erkannt werden.

Simulationen können detailliert auf die jeweiligen individuellen Gegebenheiten und Randbedingungen eingehen, denn sie berücksichtigen eine Vielzahl relevanter Parameter. Dieser Vorteil ist zugleich ein Nachteil, denn das bedingt einen hohen Eingabeaufwand. Der Nachweis eines ausreichenden, sommerlichen Wärmeschutzes ist erbracht, wenn im Jahresverlauf nicht mehr als 500 bzw. 1200 (Nichtwohngebäude bzw. Wohngebäude) Übertemperaturgradstunden auftreten. Das ist eine Stunde im Jahr, in der die Raumtemperatur maximal 1 K über der Grenztemperatur liegt. Die Grenztemperatur ist nach Klimaregionen gestaffelt und liegt zwischen 25 und 27 °C.

Neben dem eigentlichen Nachweis werden auch Details der Simulation dokumentiert, wie Umschließungsflächen, Verglasung, Sonnenschutzart, Verschattung, interne Wärmequellen (Personen, Geräte, Beleuchtung etc.), Betriebs- und Nutzungszeiten, Volumenströme bzw. Luftwechsel, die Betriebsweise, Temperatur-Statistiken, stündliche Werte, Minimal- und Maximalwerte von Raumtemperaturen etc.

Dabei lassen sich einzelne Parameter ändern, beispielsweise um den Einfluss unterschiedlicher Sonnenschutzeinrichtungen oder Nutzungsarten zu prüfen. Bauherren kann man so die Folgen einer verbesserten Verschattung oder eines veränderten Nutzungsprofils deutlich machen – etwa wenn sich die interne Wärmelast durch technische Geräte erhöht oder das Lüftungsverhalten ändert. Durch eine raumbezogene oder raumübergreifende Modifikation der Eingabeparameter sind auch ein schneller Nachweis alternativer Konzepte und Planungs-Varianten und damit auch eine energetische Optimierung von Gebäuden möglich.

Worauf sollte man achten?

Vereinfachte Berechnungen oder thermische Simulationen werden für einen kritischen Raum oder eine Raumgruppe durchgeführt. Welche Räume als „kritisch“ im Sinne der Norm anzusehen sind, muss der Planer jedoch im Einzelfall eigenverantwortlich entscheiden. Das nimmt ihm die Software ebenso wenig ab, wie die Eingabe. Zwar minimieren Automatismen den Eingabeaufwand – so wird beispielsweise die geografische Lage, die Einfluss auf die Einfallswinkel der Sonne auf Außenbauteile und Fenster hat, mit der Standortwahl automatisch übernommen.

Die meiste Arbeit macht jedoch die Eingabe der Geometrie- und Objektdaten und der Randbedingungen. Lassen sich diese zumindest teilweise aus CAD-, EnEV/DIN-V-18599- oder Heiz-/Kühllast-Programmen übernehmen, kann das den Aufwand erheblich verringern. Auch vorgegebene und individuell modifizierbare Nutzungsprofile können den Input und die Definition von Randbedingungen vereinfachen.

Da Simulationsrechnungen zahlreiche Wechselwirkungen berücksichtigen müssen, ist auch der Berechnungsaufwand hoch. Immerhin müssen Ausgabewerte über alle 8760 h oder 525 600 min eines Jahres in Einzelschritten ermittelt werden. Trotz des erhöhten Rechenaufwands sollte eine Simulation auf aktuellen Rechnern für ein Standard-Wohngebäude mit mehreren Räumen nur wenige Minuten dauern.

Berechnet wird in Zeitschritten die aktuelle Raumtemperatur aus der Konvektion an inneren Bauteiloberflächen, aus dem langwelligen Strahlungsaustausch mit den Bauteiloberflächen, den internen Wärmeeinträgen und der Luftmischung mit der Außenluft. Die Temperatur der inneren Bauteiloberflächen hängt von Außentemperaturen und Strahlungsvorgängen an den Außenoberflächen ab, die erst mit einer Zeitverzögerung von oft mehreren Stunden nach innen durchschlagen und ebenfalls berechnet werden.

Wichtig ist, dass alle Anforderungswerte und Randbedingungen der DIN 4108-2 zum Erstellen sommerlicher Wärmeschutznachweise durch Simulation im Programm hinterlegt sind. Die vom Rechenkern zu berücksichtigenden Normen und Richtlinien sollten dem aktuellen Stand entsprechen, für Gebäude ohne Klimaanlagen sind das vor allem DIN EN ISO 13 791 [4] und DIN EN ISO 13 792 [5], für Gebäude mit Klimaanlagen DIN EN 15 243 [6], VDI 2078 [7] sowie VDI 6007 [8].

Zu beachten ist, dass Simulationsprogramme nicht immer alle Randbedingungen und Besonderheiten berücksichtigen, etwa geregelte oder ungeregelte Wärme- und Kälteeinträge aus haustechnischen Anlagen, Einflüsse aus angrenzenden, unterschiedlich temperierten Zonen oder Temperaturschichtungen und Temperaturverteilungen in den Räumen.

Was bietet der Markt?

Rund 20 EnEV/DIN-V-18599-Programme gibt es – allerdings bietet nicht jedes Programm auch Funktionen für den (vereinfachten) sommerlichen Wärmeschutznachweis. Zudem setzen separate Module für den sommerlichen Wärmeschutz teilweise weitere kostenpflichtige Zusatzmodule voraus, etwa ein Raumbuch-Modul.

Speziell für den sommerlichen Wärmeschutz ausgelegte Simulationsprogramme bieten beispielsweise Kern Ingenieurkonzepte mit Dämmwerk Thermische Simulation, Hottgenroth / ETU mit „Sommerlicher Wärmeschutz 3D Plus“, Solar-Computer mit „Sommerlicher Wärmeschutz DIN 4108-2“, BKI mit „Simulation Sommerlicher Wärmeschutz“ oder ZUB mit „ZUB Helena Sommer“ an.

Simulationslösungen für die (thermische) Gebäudesimulation lassen sich ebenfalls einsetzen, beispielsweise DK-Integral, IDA ICE, Riuska, TAS oder TRNSYS. Damit ist zusätzlich eine gesamtenergetische Betrachtung möglich. Allerdings kosten diese Programme mehr und auch die Bedienung und Eingabe ist aufwendiger. Die Preise liegen zwischen 50 und 1500 Euro für optionale Programm-Module, respektive EnEV/DIN-V-18599-Programme und zwischen 600 und mehreren Tausend Euro für Simulationsprogramme. Hinzu kommen Kosten für Wartung und Service und gegebenenfalls für Schulungen.

Wer simuliert, braucht Know-how

Der Wärmeeintrag durch Fenster, Wintergärten oder Oberlichter wird häufig unterschätzt. Dabei ist der Wärmeschutz im Winter ebenso wichtig wie im Sommer – schließlich ist auch ein gut gedämmtes Gebäude in seiner Nutzung eingeschränkt, wenn es in den heißen Sommermonaten nicht benutzbar ist.

Welches der beiden Berechnungsverfahren (vereinfachtes Verfahren oder thermische Simulation) gewählt wird, hängt vom jeweiligen Objekt ab: Je mehr es im Hinblick auf die Gestaltung, Konstruktion oder Nutzung von Standards abweicht, desto wichtiger sind Simulationsrechnungen.

Allerdings erfordert der Einsatz dynamisch-thermischer Simulationslösungen Erfahrung und Fachwissen. „Kritische“ Gebäude und Räume muss der Planer selbst erkennen und Simulationsprogramme ersetzen kein Fachwissen – sie setzen es vielmehr aufgrund der vielen Eingabeparameter, Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwingend voraus.

Marian Behaneck

Literatur und weitere Infos

 [1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 24. Juli 2007. BGBl I S. 1519, zuletzt geändert durch Artikel 3 der Verordnung vom 24. Oktober 2015, BGBl I S. 1789

 [2] DIN 4108-2 Wärmeschutz und Energie-Einsparungen in Gebäuden. Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Berlin: Beuth Verlag, Februar 2013

 [3] DIN EN ISO 13 786 Wärmetechnisches Verhalten von Bauteilen – Dynamisch-thermische Kenngrößen – Berechnungsverfahren (ISO 13786:2007). Berlin: Beuth Verlag, April 2008

 [4] DIN EN ISO 13 791 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren (ISO 13791:2012). Berlin: Beuth Verlag, August 2012

 [5] DIN EN ISO 13 792: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung von sommerlichen Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Vereinfachtes Berechnungsverfahren (ISO 13792:2012). Berlin: Beuth Verlag, August 2012

 [6] DIN EN 15 243 Lüftung von Gebäuden – Berechnung der Raumtemperaturen, der Last und Energie von Gebäuden mit Klimaanlagen. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2007

 [7] VDI 2078 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln). Berlin: Beuth Verlag, März 2012 (zurückgezogen) und VDI 2078 Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation). Berlin: Beuth Verlag, Juni 2015

 [8]  VDI 6007 Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von Räumen und Gebäuden. Berlin: Beuth Verlag April 2012

 [9] VFF Merkblatt ES.04 Sommerlicher Wärmeschutz. Frankfurt: Verband Fenster + Fassade (Hrsg.):, Eigenverlag, Oktober 2014

[10] Kern, A.: Thermische Gebäudesimulation nach DIN 4108-2:2012, zum Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes. Berlin: Kern Ingenieurkonzepte, 2014, Download auf www.bauphysik-software.de

[11]  www.baufachinformation.de Suche: „Sommerlicher Wärmeschutz“

[12]  www.baunetzwissen.de Rubrik „Sonnenschutz“

[13]  www.wikipedia.de Suche: „Wärmeschutz“

[14]  www.wissenwiki.de Suche: „Sommerlicher Wärmeschutz“

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Genormt rechnen oder realitätsnah simulieren?
  2. Teil: Produkte und Anbieter *)
  • 2   … nur mithilfe thermisch-dynamischer Gebäudesimulationen nachweisen.

  • 3  Neben dem Gebäudestandort gehören der solare Energieeintrag durch Fenster, die „Massivität“ der Gebäudebauteile, Beschattungseinrichtungen sowie Lüftungsmöglichkeiten zu den Einflussfaktoren.

  • 4  In EnEV-Programme eingebundene sommerliche Wärmeschutznachweise haben den Vorteil, dass Objekt- …

  • 5  … und Bauteildaten direkt übernommen werden können (Envisys).

  • 6  Nur ein Teil der Anbieter offeriert neben dem verein-fachten Nachweis zusätzlich auch eine thermische Simulation.

  • 7  Eine Aufstellung über kritische und unkritische Räume schafft bei größeren Objekten Übersicht.

  • 8  Energiebilanz im Überblick: der sommerliche Wärmeschutz ist nur ein Teilaspekt thermischer Simulationsrechnungen.

  • 9  Zu den Eingabedaten gehören Angaben zum Raum, zum Luftwechsel, zu den Raumumschließungsflächen, zur Verglasung, Sonnenschutzart, Verschattung, zu den internen Wärmequellen etc.

  • 10  Neben der baulichen Verschattung durch Nachbargebäude wird auch die Verschattung durch die Topografie, Vegetation sowie die Eigenverschattung durch Bauteil-überstände erfasst.

  • 11  Die parallele Betrachtung der Eingabedaten (Außenklima), Randbedingungen (Luftwechselraten, Wärmequellen, Außenbauteile) und Berechnungsergebnisse (Raumtemperaturen) macht Abhängigkeiten und Wechselwirkungen deutlich.

  • 12  Zu den Ausgabedaten der Simulation zählen neben den Temperaturgradstunden auch Tabellen oder Grafiken.

Hottgenroth / ETU

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